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74 pages
Niveau: Secondaire, Lycée, Première
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  • méthode

  • conditions de corrosion avec immersion

  • d?une centaine de défauts de corrosion

  • développement d?une

  • protocole tpc

  • cadre de projets

  • propagation des défauts de corrosion

  • défauts de corrosion intergranulaire

  • essais de corrosion avec immersion continue dans l?électrolyte


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Méthodes d‟étude du vieillissement des structures en alliage d‟aluminium 2024V. Méthodes d’étude du vieillissement des structures en alliage d’aluminium 2024V-1. parEvaluation de l’endommagement corrosion....................................... 156 V-1-A.Estimation de la profondeur endommagée par corrosion grâce à des essais de traction : présentation du protocole............................................... 156 V-1-B. ................................. 161Optimisation de la géométrie des éprouvettes V-1-C.du protocole TpC dans le cadre d‟eApport ssais de corrosion avec immersion / émersion alternées ................................................................... 164V-1-C-aApplication du protocole TpC................................................... 164V-1-C-b 165Observation des faciès de rupture ...........................................V-1-C-cApprofondissement de la compréhension des modes d‟endommagement lors d‟essais de corrosion69..................................1.......... V-2.Evaluation de l’état de vieillissement microstructural...............................171V-2-A.Méthode d‟étude du vieillissement microstructural des structures en alliage d‟aluminium 2024-T351.................................................................... 171V-2-A-aDescription de la méthode d‟étude..............................1.............71V-2-A-bPertinence d‟une étude comparative entre deux tôles d‟alliage 2024………............................................................................................... 173 V-2 B.Caractérisation des évolutions microstructurales ........................... 173 -V-2-C.Méthodes de caractérisation utilisées dans l‟industrie aéronautique……......................................................................................... 176V-2-C-a 176Evolution des propriétés mécaniques.......................................V-2-C-bEvolution de la conductivité électrique de l‟alliage 2024 au cours de traitements de vieillissement ................................................................ 181 V-2-D.Etude d‟autres méthodes de caractérisation813...................................V-2-D-aEvolution de la dureté de l‟alliage 2024en fonction de la durée du traitement de vieillissement ...................................................................... 183V-2-D-bde l‟OCP de l‟alliage 2024 en fonction de la durée duSuivi traitement de vieillissement. ..................................................................... 184 V-3.Etude de l’endommagement par couplage vieillissement microstructural / corrosion.............................................................................................................. 188 V-3-A. 188Morphologie et étendue de la corrosion........................................... V-3-B. 192Impact sur les propriétés mécaniques ............................................ V-4.Conclusions .............................................................................................. 195
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Mécanismes d‟endommagement par corrosion et vieillissement microstructural d‟éléments destructure d‟aéronef en alliaged‟aluminium 2024-T351 Rappelons quel‟objectif principal duprojet Diagnostat est le développement d‟une méthode de contrôle non destructif (CND) permettant d‟évaluer le vieillissement de pièces de structures aéronautique en service. Cependant, le développement d‟une telle méthode nécessite, avant toute chose, d‟analyser et de comprendre le vieillissement des matériaux métalliques. En milieu aéronautique, le terme « vieillissement » peut faire référence à différentes sollicitations du matériau et à différents processus d‟endommagement. Dans le cadre du projet «Diagnostat » ont été retenus :le vieillissement microstructural, l‟endommagement en corrosion et en fatigue. Comme cela a été rappelé dans l‟introduction, l‟endommagement par fatigue fait l‟objet d‟une autre thèse et ne sera, par conséquent, pas abordé dans ce manuscrit. L‟analyse de l‟endommagement par corrosion, dans des conditions les plus proches possibles de celles pouvant se présenter en milieu aéronautique, a été développée dans les chapitres précédents. L‟objectif de ce dernier chapitre est donc d‟identifier des grandeurs caractéristiques du matériau qui seraient affectées par les différents processus de vieillissement et qui pourraient être à la base du développement d‟une méthode d‟étude de l‟endommagement par corrosion et / ou du vieillissement microstructural de matériaux métalliques. Dans un premier temps, les grandeurs retenues ont été des grandeurs caractéristiques des propriétés mécaniques des matériaux et une méthode d‟étude du vieillissement basée sur des essais de traction a été proposée ; cette première approche repose sur des travaux déjà effectués au CIRIMAT. Il est entendu que cette méthode ne peut pas être retenue dans le cadre du projet « Diagnostat » comptetenu du fait qu‟elle est destructive. Cependant, la comparaison des résultats obtenus par cette méthode d‟analyse et ceux obtenus par d‟autres méthodes pourrait permettre une meilleure compréhension et, par conséquent, une estimation plus précise de l‟endommagement des pièces de structures.Dans un second temps, les modifications microstructurales pouvant apparaître en service pour les matériaux métalliques sont étudiées en mettant en œuvre des méthodes utilisées par les constructeurs du milieu aéronautique mais aussi des méthodes employées en laboratoire très régulièrement ou , pourd‟autres, de manière plus exploratoire. Enfin, les processus de vieillissement des matériaux dans le cadre d‟une utilisation aéronautique n‟étant pas indépendants les uns des autres, il est donc apparu essentiel d‟étudier les couplages entre ces processusce qui a été fait pour la corrosion et le vieillissement microstructural. En effet, la corrosion, comme l‟a montré l‟étude bibliographique, est fortement dépendante de la microstructure. Une modification de cette dernière pourrait donc être la source d‟une modification de la sensibilité de l‟alliage d‟aluminium 2024-T351 à la corrosion, qu‟il s‟agisse des cinétiques d‟initiation ou de propagation des défauts de corrosion ou encore de la morphologie des défauts de corrosion développés. V-1. Evaluation delndentgemeomma par corrosion V-1-A. Estimation de la profondeur endommagée par corrosion grâce à des essais de traction : présentation du protocole. A l‟heure actuelle, dans le milieu aéronautique, une politique de gestion de l‟endommagement très stricte estappliquée. Cette dernière implique une réparation voire un changement des pièces après détection d‟un défaut de corrosion par les méthodes CND lors des opérations de maintenance. Cela induit, de fait, des coûts
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Méthodes d‟étude du vieillissement des structures en alliage d‟aluminium 2024très élevés. Une solution pour réduire ces coûts serait une meilleure prise en considération des cinétiques de propagation des défauts de corrosion afin d‟optimiser les processus de maintenance et plus précisément les durées entre chaque visite d‟inspection. L‟identification d‟une taille critique de en- défaut, dessous de laquelle des opérations de réparation ne seraient pas nécessaires, pourrait être, elle aussi, intéressante. Dans cette optique, disposer d‟une méthode de CND permettant de décrire correctement des défauts de corrosion intergranulaireet de suivre leur propagation serait un véritable atout. C‟est pour atteindre ces mêmes objectifs (description du défaut de corrosion et estimation des cinétiques de propagation) qu‟Augustin et ses collaborateurs ont développé au CIRIMAT une technique decaractérisation permettant d‟accéder à la profondeur moyenne des défauts de corrosion intergranulaire plus rapidement que par les techniques d‟observation de coupes d‟échantillons corrodés habituellement utilisées. Cette méthode est basée sur la mesure des propriétés mécaniques résiduelles d‟un matériau corrodé et en particulier sur le suivi de l‟évolution de la charge à rupture entre un matériau non corrodé et un matériau corrodé [AUGU-07]. C‟est donc une méthode d‟étude destructive. En ce sens, elle ne répond pas au cahier des charges du projet Diagnostat mais elle mérite toutefois d‟être optimisée. Effectivement, elle pourrait constituer une méthode de référence à laquelle comparer les résultats obtenus par le biais d‟autres méthodes, elles non destructives. Rappelons donc que les résultats expérimentaux obtenus par cette méthode destructive sur des éprouvettes plates, dont la géométrie est indiquée sur la Figure V-1, ont permis de montrer que, pour un électrolyte contenant des ions chlorures dont la concentration est comprise entre 1 M et 3 M, et pour des temps d‟immersion dans cet électrolyte inférieurs à 168 h, la densité des défauts de corrosion intergranulaire était suffisante et leur répartition assez homogène pour considérer la propagation des défauts de corrosion intergranulaire comme la croissance d‟une zone non portante mécaniquement.
Figure V-1: Géométrie des éprouvettes de traction utilisée par Augustin etal.dans le cadre de la mise en œuvre du protocole TpC (Dimensions en mm) [AUGU-07]. Ce type d‟approche sous-entend que la contrainte maximale à rupture,σRupt, est une constante pour un état métallurgiquedonné. L‟épaisseur de la zone corrodée, notée x(t), où t est le temps d‟immersion en milieu agressif avant l‟essai de traction, est alors calculée selon la relation suivante :
[1]
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Mécanismes d‟endommagement par corrosion et vieillissement microstructural d‟éléments destructure d‟aéronef en alliaged‟aluminium 2024-T351 avec a l‟épaisseur de l‟éprouvette de traction, FRupt charge maximale à rupture la d‟une éprouvette non corrodée et F(t)Ruptcelle d‟une éprouvette pré-corrodée pendant une durée t. La comparaison entre les valeurs de x(t) calculées à partir des essais de traction et les données statistiques sur les profondeurs affectées par la corrosion, issues des observations au microscope optique de coupes d‟échantillons corrodés, a montré une bonne adéquation entre les valeurs de x(t) et la moyenne géométrique des profondeurs de défauts de corrosion observés. Cette méthode, appelée TpC (Traction pour Corrosion), permet donc d‟estimer une profondeur moyenne de propagation des défauts plus facilement et plus rapidement que par le biais d‟observations au microscope optique. En effet, si seulement trois essais de traction sur des éprouvettes plates différentes semblent donner un résultat représentatif pour la méthode TpC, il est nécessaire d‟observer plus d‟une centaine de défauts de corrosion pour obtenir une profondeur moyenne représentative ce qui est long et fastidieux. Cependant, les auteurs ont aussi montré certaines limites de cette méthode, notamment en réalisant des essais dans des électrolytes de concentrations différentes et pour des temps d‟immersion plus longs [AUGU-10]. En effet, l‟une des hypothèses fortes de cette technique est que le dommage induit par la corrosion est distribué de manière très homogène ce qui, dans certains cas, pourrait ne pas être vrai. Effectivement, pour des électrolytes dont la concentration est supérieure à 3 M, ce protocole n‟est pas applicable car la corrosion est alors principalement caractérisée par une très forte densité de piqûres et une densité très faible de défauts de corrosion intergranulaire de sorte qu‟il est impossible d‟assimiler la zone corrodée à une zone non portante mécaniquement. De la même façon, pour des temps d‟morphologie de la corrosion prend laimmersion supérieurs à 1200 h, la forme de très larges cavités présentant des formes très diverses et réparties de manière très aléatoire ce qui induit, là aussi, un manque de précision dans l‟estimation de la pénétration de la corrosion par la méthode TpC.  Les résultats rappelés ci-dessus concernent des essais de corrosion avec immersion continue dans l‟électrolyte. Il semble maintenant intéressant d‟évaluer dans quelle mesure le protocole TpC pourrait être appliqué à des éprouvettes corrodées lors d‟expositions au milieu agressif avec immersion / émersion alternées. L‟étude de la corrosion induite par de telles expositions au milieu agressif a fait l‟objet du chapitre III. Il a été montré que la morphologie et la densité des défauts de corrosion étaient affectées par les conditions d‟exposition au milieu corrosif. De plus, les résultats ont aussi montré que les propriétés mécaniques résiduelles mesurées pour des éprouvettes ayant subi des essais de cyclage étaient trèsdifférentes de celles mesurées sur des éprouvettes corrodées lors d‟immersions continues. Il est donc pertinent de se demander si les conditions de corrosion avec immersion / émersion alternées conduisent au développement d‟une morphologie de corrosion correspondant au cadre d‟application du protocole TpC.La Figure V-2 montre, pour rappel, des observations en microscopie optique de défauts observés après des essais CA (Figure V-2 (a)) et des essais CF (Figure V-2 (b)).
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Méthodes d‟étude du vieillissement des structures en alliage d‟aluminium 2024
Figure V-2: Micrographies optiques de défauts de corrosion développés lors d'essais de cyclage avec émersion (a) à température ambiante, (b) à -20°C. Ces observations illustrent que les défauts de corrosion intergranulaire sont nombreux et ramifiéspour les deux types d‟essais de cyclage. De plus, elles semblent montrer que la densité de défauts de corrosion serait suffisamment élevée pour supporter l‟hypothèsed‟une zone uniformément affectée par la corrosion pouvant être représentée comme une zone non portante mécaniquement. Pour compléter ces observations, les données statistiques relatives aux défauts de corrosion intergranulaire pour les essais CA et CF sont rappelées dans le Tableau V-1 ; sont ajoutées les moyennes géométriques pour les valeurs de profondeur de défauts de corrosion. Tests de corrosion CA CF Nombrededjeoionitnstdsedgergarianisncsoorbrosedrévsé/s0,350,46Nombre Profondeur moyenne arithmétique (µm) 111 53 Profondeur moyenne géométrique (µm) 72 32 Profondeur maximale (µm) 430 246 Tableau V-1: Caractéristiques statistiques des défauts de corrosion développés lors d'essais de cyclage.Les densités de défauts développés lors des essais de cyclage sont très importantes puisqu‟un joint de grains sur trois est affecté par la corrosion dans le cadre des essais CA et presque la moitié des joints de grain pour ce qui concerne les essais CF. Ces valeurs sont supérieures à celles obtenues après des immersions continues de 24 h et de 72 h (partie III-1-B, page 91), qui sont des conditions pour lesquelles s‟appliquent le protocole TpC. L‟hypothèse d‟une zone continûment affectée par la corrosion pour la mise en œuvre du protocole TpC semblerait donc respectée. Il est toutefois nécessaire de considérer également les distributions des tailles des défauts construites à partir d‟observations au microscope optique de coupes d‟échantillons corrodés. Effectivement, la question est de savoir quelle est la manière la plus pertinente pour calculer la profondeur moyenne des défauts à partir des distributions obtenues sachant que c‟est cette valeur moyenne qui est ensuite comparée à la profondeur x(t) obtenue via le protocole TpC, cette comparaison permettant de statuer sur la validité du protocole. Ces distributions de défauts de corrosion ont été données dans le chapitre III. Une autre représentation est adoptée ici : la probabilité cumulée est représentée en fonction du logarithme de
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Mécanismes d‟endommagement par corrosion et vieillissement microstructural d‟éléments destructure d‟aéronef en alliaged‟aluminium 2024-T351 la profondeur des défauts comme avaient pu le faire Augustin et ses collaborateurs qui avaient travaillé effectivement avec la moyenne géométrique des profondeurs de défauts de corrosion [AUGU-07, AUGU-10]. Les distributions correspondant aux cas des essais CA et CF sont présentées sur la Figure V-3.
Figure V-3 : Probabilité cumulée en fonction de la profondeur des défauts de corrosion intergranulaire développés lors d'essais (a) CA et (b) CF.  Ce mode de représentation des distributions des tailles de défaut montre que la probabilité cumulée varie linéairement avec le logarithme de la profondeur des défauts pour les essais CF ce qui suggère qu‟il peut être préférable, dans ce cas, de considérer la moyenne géométrique plutôt que la moyenne arithmétique des profondeurs de défauts (Figure V-3(b)) pour calculer la profondeur moyenne des défauts de corrosion. Une telle relation linéaire pourrait aussi être considérée pour les défauts développés lors des essais CA même si le coefficient de régression est plus faible (Figure V-3(a)). Rappelons ici que la représentation utilisée dans le chapitre III a permis d‟établir que la distribution des tailles de défauts, après essais de corrosion CA, est relativement homogène pour des défauts dont la taille est inférieure à 250 µm. De plus, ces défauts de profondeur inférieure à 250 µm représentent 96 % des défauts développés ; les autres sont bien plus longs. Cette distribution relativement homogène des tailles de défauts associée à la présence de certains défauts beaucoup plus longs pourrait expliquer la valeur du coefficient de régression précédemment calculé et, en particulier, la grande différence entre les valeurs des profondeurs moyennes arithmétique et géométrique (Tableau V-1). En effet, le fait de considérer une moyenne géométrique tend à minimiserl‟impact des plus grandes valeurs expliquant, de fait, qu‟alors que la moyenne arithmétique est évaluée à 111 µm, la moyenne géométrique ne vaut que 72 µm. Il est probable que, dans ce cas, la profondeur moyenne calculée par une méthode arithmétique soit plus représentative de l‟endommagement. Cette différence entre moyennes géométrique et arithmétique est certainement moins marquée dans le cas des essais CF dans la mesure où très peu de défauts se sont révélés beaucoup plus longs que les autres (Figure III-3, page 94). De plus, la très grande proportion de défauts inférieurs à 20 µm explique les très faibles profondeurs moyennes calculées. Dans tous les cas, l‟analyse statistique montre que, pour les deux types d‟essais de cyclage, la densité de joints de grains corrodés est élevée. Ce paramètre a été identifié comme de première importance pour ce qui concerne la validité du protocole TpC. De plus, lors des essais de cyclage, le milieu agressif utilisé est une solution de chlorure de sodium de concentration 1 M et la durée d‟immersion cumulée est de 24 h. Même si la durée d‟exposition au milieu agressif peut être supérieure à ces 24 h, du fait de la présence d‟électrolyte piégé dans les défauts lors de l‟étape d‟émersion, cette ne dépasse cependant pas 72 h et reste donc dernière
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